中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，北京化工大學(xué)楊小平、隋剛教授課題組在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials（影響因子：20.831）上發(fā)表題為“In-situ constructing ‘ceramer’ electrolytes with robust-flexible interfaces enabling long-cycling lithium metal batteries”的研究工作。
本文通過(guò)原位共價(jià)交聯(lián)妙地結(jié)合了陶瓷二氧化硅（SiO2，如高模量）和聚合物聚1,3-二氧戊環(huán)（PDOL，如柔韌性/與電極的良好界面）的性能優(yōu)勢(shì)，將介孔納米SiO2顆粒與PDOL鏈以共價(jià)鍵橋接生成均勻且致密的導(dǎo)鋰網(wǎng)絡(luò)。獲得的新型有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合（“Ceramer”）電解質(zhì)表現(xiàn)出高模量和高柔韌性的特性，可實(shí)現(xiàn)鋰金屬負(fù)極的無(wú)枝晶剝離/電鍍循環(huán)，在LiFePO4//Li和高壓LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM811)//Li電池中表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)循環(huán)能力和高容量保留率。這項(xiàng)工作為長(zhǎng)循環(huán)和高安全的鋰金屬電池中構(gòu)建綜合性能優(yōu)異的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合電解質(zhì)開拓了新策略。
具有商用聚烯烴隔膜和液體電解質(zhì)的鋰金屬電池(LMB)的壽命和安全性會(huì)因鋰枝晶以及液體電解質(zhì)的泄漏和燃燒而劣化。因此，迫切需要設(shè)計(jì)開發(fā)出一種多功能的電解質(zhì)材料來(lái)同時(shí)克服上述問(wèn)題，以開發(fā)高安全、高性能鋰金屬電池。本工作中，將末端環(huán)氧化的介孔SiO2涂覆于聚烯烴隔膜上，并通過(guò)原位聚合的工藝實(shí)現(xiàn)液態(tài)電解質(zhì)的原位固化和PDOL與SiO2的共價(jià)鍵橋接，得到“Ceramer”固態(tài)電解質(zhì)。致密的介孔SiO2層具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)顯著提高電解液的浸潤(rùn)性能，SiO2的Lewis酸位點(diǎn)有利于促進(jìn)鋰鹽的解離，提高離子電導(dǎo)率。共價(jià)交聯(lián)后的電解質(zhì)模量可達(dá)2.3 GPa，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。SiO2顆粒之間的空隙被導(dǎo)鋰性能優(yōu)異的高分子量PDOL填充，交織形成均勻且剛?cè)岵?jì)的導(dǎo)鋰網(wǎng)絡(luò)。制備的電解質(zhì)具有較高的離子電導(dǎo)率（1.2 mS cm-1）和離子遷移數(shù)為（0.71），在Li//Cu并表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的沉積/脫沉積行為（庫(kù)倫效率可達(dá)98%）。其高的離子遷移數(shù)可以減輕極化并減少Li的不均勻成核；SiO2的高模量有利于物理抑制鋰枝晶；PDOL通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)在SiO2表面緊密橋接，填充SiO2納米顆粒之間的空隙，消除存在的薄弱環(huán)節(jié)。
原位光學(xué)顯微鏡直觀地展示了該電解質(zhì)的無(wú)鋰枝晶特性。此外，組裝的鋰對(duì)稱電池在0.5 mAh cm-2下穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)3600小時(shí)，在1 mAh cm-2下穩(wěn)定循環(huán)超過(guò)1100小時(shí)。此外，組裝的LiFePO4//Li電池在1C電流密度下，循環(huán)500次后容量保持率高達(dá)90.3% (此時(shí)容量為128.1 mAh g-1)和99.9%的庫(kù)倫效率。即使在更高的電流密度（2 C）下，電池仍可提供128 mAh g-1的可逆比容量，在1000次循環(huán)中每次循環(huán)的容量衰減率僅為0.0285%。值得注意的是，在高壓鋰金屬電池NCM811//Li中1 C下500次循環(huán)后容量保持率高達(dá)80.2%，還可以實(shí)現(xiàn)在高正極載量(10 mg cm-2)的NCM//Li軟包電池中穩(wěn)定運(yùn)行，平均庫(kù)倫效率達(dá)到99%。因此，這一新型“Ceramer”電解質(zhì)是解決鋰金屬電池中枝晶生長(zhǎng)和安全問(wèn)題的可行策略，并且技術(shù)路線便于工業(yè)化生產(chǎn)，有望推動(dòng)高性能、高安全鋰金屬電池的大規(guī)模應(yīng)用。
該文章第一作者為北京化工大學(xué)材料學(xué)院博士研究生陳棟莉，隋剛教授為本文通訊作者。北京化工大學(xué)為第一完成單位。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
來(lái)源：北京化工大學(xué)
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829722005104（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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